Antriebstechnik und Robotik

Advanced Safety für Produktionsumgebungen

Mit dem Einzug von vernetzten Anlagen und kollaborierenden Robotern in die industrielle Produktion werden auch die Anforderungen an die funktionale Sicherheit komplexer. Moderne sichere Automatisierungskomponenten können maßgeblich dazu beitragen, diese zu erfüllen. Wie dies in der Praxis aussieht, zeigen z.B. Sicherheitsmodule für Servoantriebe oder die Kraft- und Momentenüberwachung in Robotern.


Servopack mit Steckplatz für Sicherheitsmodule.
Bild: Yaskawa Europe GmbH

Das Thema funktionale Sicherheit ist zwar nicht neu, rückt aber aktuell stärker in den Fokus von Maschinenbauern und Anlagenbetreibern. Denn der Siegeszug von durchgängig vernetzten Fertigungsumgebungen und kollaborierenden Robotern verlangt auch nach technischen Lösungen, die einen sicheren Umgang gewährleisten. Yaskawa reagiert auf diese neuen Anforderungen mit erweiterten Sicherheitsfunktionen im Sinne eines Advanced-Safety-Programms. Eine wesentliche Rolle spielen dabei funktional sichere Automatisierungskomponenten.

Neue Sicherheitsmodule

So verfügt die aktuelle Servosystem-Baureihe Sigma-7 seit Kurzem über eine neue Generation von Optionsmodulen für funktionale Sicherheit. Entwickelt wurde sie am Yaskawa-Standort in Eschborn. Dabei stand im Fokus, dass sich die Antriebe mit Hilfe der Optionskarten besonders leicht an die spezifischen Sicherheitsanforderungen unterschiedlicher Applikationen anpassen lassen. Mit SIL3/PL-e und FSoE (Fail Safe over Ethercat) erfüllen die Module moderne Standards. Mit FSoE oder bzw. und den sicheren I/Os, stehen dem Anwender eine unterschiedlich Möglichkeiten offen, wie die Sicherheitsanwendung gesteuert werden soll. Ein skalierbares Konzept ermöglicht zugeschnittene, anwendungsspezifische Lösungen. Während die Funktion STO in jedem Servopack integriert ist, stehen drei verschiedene Optionsmodule für weitere Anforderungen zur Wahl:

  • • Option 1: STO/SS1/SS2/SOS/SLS, angesteuert mit Hilfe von zwei sicheren Eingängen
  • • Option2 : STO/SS1/SS2/SOS/SLS/SLA/SSR/SDI/SLP/SLI/SLT/SMT/ SCA/SSM, angesteuert über FSoE
  • • Option 3: Funktionsumfang wie Option zwei, jedoch mit zusätzlichen vier sicheren I/Os, zwei sicheren Eingängen und einem sicheren analogen Spannungseingang

Die sicheren I/Os in Option 3 sind in Verbindung mit FSoE gut dazu geeignet, zusätzliche Sensoren anzuschließen. Sichere I/O-Klemmen an der Sicherheitssteuerung können dadurch entfallen.

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Spektrum an Sicherheitsfunktionen

Die neuen Safety-Module bieten insgesamt 14 Sicherheitsfunktionen, von denen bis zu zehn Funktionen parallel in einem Servopack aktiviert sein können. Jede einzelne Sicherheitsfunktion erfüllt die Anforderungen gemäß SIL3/PL-e. Zum Spektrum gehört z.B. die Funktion SLA (Safe Limited Acceleration). Sie ermöglicht es, Gefährdungszonen für Applikationen zu reduzieren. Durch diese Maßnahme kann ohne viel zusätzliche Hardware die durchschnittliche Taktzeit erhöht werden, da sich Stillstandszeiten reduzieren lassen oder der Zugang zur Maschine erleichtert werden kann. Indem über FSoE die funktionale Sicherheit mit dem weit verbreiteten Ethernet-basierenden Feldbussystem Ethercat kombiniert wird, können Sicherheitsapplikationen mit weniger Verdrahtungsaufwand realisiert werden. Denn anstatt für jeden Ein- bzw. Ausgang vier Leitungen verlegen und anschließen zu müssen, werden die Sicherheitsfunktionen über FSoE aktiviert. Da der sichere Kommunikations-Layer an Ethercat angekoppelt ist, benötigt es dafür keine zusätzlichen Kabel. Das übliche Ethernet-Kabel, das schon für die Steuerung der Antriebe verwendet wird, reicht aus.

Kraft- und Momentenüberwachung

Was funktional sichere Automatisierungskomponenten für die Umsetzung einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration bedeuten, zeigt der kollaborative Roboter Motoman HC 10 mit der Steuerung YRC1000: Er entspricht nicht nur den Vorgaben der Europäischen Maschinenrichtlinie (Richtlinie 2006/42/EG). Seine Steuerung mit FSU- und PFL-Platine erfüllt auch mindestens den PLd /Kat.3 nach ISO13849-1 und übertrifft damit die Standardvorgaben. Die vorliegende Baumusterprüfungsbescheinigung (EC Type-Examination Certificate) durch den TÜV Rheinland bestätigt die Konformität mit diesen spezifischen Vorgaben. Der hybride Roboter mit 1,2m Reichweite und 10kg Handhabungsgewicht, eignet sich sowohl als normaler Industrieroboter als auch als kollaborierender Roboter. Die geforderte Sicherheit im direkten Kontakt mit dem Bediener gewährleistet er durch eine einzigartige sechsfache Kraft- und Momentenüberwachung, die eine flexible Interaktion zwischen dem Roboter und seiner Umgebung ermöglicht. Aus Sicht der deutschen und europäischen Sicherheitsnormen kann der Roboter mit Leistungs- und Kraftbegrenzung in der 4. Kollaborationsart gemäß der technischen Spezifikation TS15066 eingesetzt werden.

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Kollaborativer Betrieb

Als MRK-fähiger Roboter benötigt der Motoman HC10, abgestimmt auf die Applikation, keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen, wie beispielsweise eine Schutzumhausung, wodurch Platz und Kosten eingespart werden. Die Installation kann flexibel erfolgen und ist somit an verschiedenen Arbeitsplätzen und in unterschiedlichen Konzepten möglich. Wenn kein direkter Kontakt mit dem Nutzer erforderlich ist, kann der Roboter in voller Geschwindigkeit gefahren werden. Über die Sicherheitsaspekte hinaus stand bei der Konzeption des HC10 eine nutzerfreundliche Bedienung im Fokus. Eine Programmierung kann über das Easy Teaching HUB als HMI direkt am Roboter erfolgen. Stoppt der Roboter bei einem spezifisch eingestellten Kontakt, kann die Bewegung direkt am Manipulator wieder aktiviert werden. Am Roboterarm wurde unter Berücksichtigung von ergonomischen und kollaborativen Aspekten konstruiert. Es gibt keine scharfen Kanten oder sonstige Störkonturen, mögliche Quetschstellen wurden konstruktiv vermieden.

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